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Wie funktioniert Laserschneiden? Präzisionsverfahren mit modernster Technik

Wie funktioniert Laserschneiden? Präzisionsverfahren mit modernster Technik

In der heutigen Fertigungsindustrie ist der Laser ein unverzichtbares High-Tech-Werkzeug geworden. Ständig gibt es neue Anwendungsmöglichkeiten, besonders da ist das Laserschneiden an Präzision kaum zu übertreffen ist. Insbesondere in der Blechbearbeitung haben innovative Faserlaser als wirtschaftliches Trennverfahren eine grosse Bedeutung erlangt. Bei diesem Verfahren können einerseits plattenförmige Werkstoffe, andererseits auch 3D-Körper wie z. B. Rohre oder Profile präzisionsgenau und gratfrei geschnitten werden – bei den meisten Materialien entfällt eine teure, mechanische Nachbearbeitung. Je nach Anforderung und Werkstoff kommen dabei unterschiedliche Lasertypen mit entsprechenden Verfahren zum Einsatz. In diesem Artikel erklären wir die gängigsten Laser und Vorgehensweisen.

Was ist Laserschneiden?

Das Laserschneiden gehört zu den Trennverfahren und ermöglicht eine berührungslose Bearbeitung fast aller Werkstoffgruppen sowie unterschiedlichste Schneidaufgaben auf höchstem Qualitätsniveau. Ob plattenförmige Materialien oder dreidimensionale Geometrie – der Laser ermöglicht das mikrometergenaue Schneiden in und von Metall, Kunststoff, Papier oder auch Gestein – absolut präzise. Die Entwicklung innovativer Faserlaser hat das Laserschneiden gerade auf dem Gebiet der Fein-Blechbearbeitung zum kostengünstigsten Trennverfahren werden lassen. Es können unterschiedlichste Konturen mit hoher Schnittgeschwindigkeit und meist ohne Nachbearbeitung gefertigt werden. Typische Anwendungsbeispiele: die Fertigung technischer Laserzuschnitte, Abdeckungen, Ronden oder das Bearbeiten von Rohren.

 

Welche Laserschneidverfahren gibt es?

Je nach Werkstoff, Anwendung und Wirkungsweise der eingesetzten Laser können verschiedene Verfahren eingesetzt werden.

  • Laserstrahlschmelzschneiden
    Dieses Verfahren bietet eine hohe Schnittqualität und ist äusserst präzise. Bei diesem Verfahren schmilzt der Laserstrahl das Material entlang der zu schneidenden Kontur, die dabei anfallende Schmelze wird mit einem Gasstrahl unter hohem Druck ausgeblasen. Die Energie des Laserstrahls kann punktgenau zugeführt und eine ungewollte Oxidbildung vermieden werden.
  • 2D-Laserschneiden
    Für plattenförmige Materialien ist dieses Verfahren die ideale Fertigungslösung, da fast alle Werkstoffgruppen schnell und kostengünstig bearbeitet werden können. Ein weiterer Vorzug dieser Technik – auch konventionellen Verfahren wie z. B. dem Stanzen gegenüber – ist, dass man auch kleinere Stückzahlen mit hoher Qualität und kostengünstig fertigen kann.
  • Laserstrahlbrennschneiden
    Dieses Vorgehen ähnelt dem Schmelzschneiden, meist wird es zum Trennen bei grossen Materialstärken angewandt. Der Unterschied: Hier wird reiner Sauerstoff auf den Schnittpunkt geblasen. Der reagiert mit dem Werkstoff, es entsteht eine hohe Wärmeenergie. Material wird punktuell geschnitten, die anfallende Schmelze wird aus der Schnittfuge geblasen.
  • 3D-Laserbearbeitung
    Müssen komplexe 3D-Geometrien mit absoluten Massgenauigkeiten gefertigt werden, kommt dieses Verfahren zum Zug. Dieser Prozess passiert auf Laserschneidanlagen, die auch eine kombinierte Laser-Stanzbearbeitung in einem einzigen Arbeitsgang ermöglichen. Typische Anwendungen: dreidimensionale Durchbrüche oder Rohkarosserien.
  • Laserstrahlsublimationsschneiden
    Hier wird Material mit einem Laserstrahl unter sehr grosser Hitzeentwicklung zum Verdampfen gebracht. Diesen Prozess nennt man Sublimation, eine Bildung von Materialschmelze wird dabei verhindert und der mitgeführte Gasstrahl wird nicht zum Ausblasen der Schnittfuge, sondern zum Schutz der empfindlichen Linsen und Spiegel eingesetzt. Typische Beispiele: Schneiden von Kunststoffen mit klaren Schnittkanten.
  • Rohrlasern
    Dieses Vorgehen erfolgt auf Laserschneidmaschinen, die mehrere Methoden von Rohr- und Profilverarbeitung in einem einzigen Arbeitsschritt kombinieren. So können nicht nur runde, sondern auch quadratische, rechteckige oder ovale Rohre massgenau bearbeitet und im selben Schritt Konturen eingebracht werden.

 

Wie sind Laser aufgebaut und was für Lasertypen gibt es?

Bei einem Laserstrahl handelt es sich um extrem stark konzentriertes Licht, das Wort Laser ist die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und bedeutet soviel wie Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Ein Laser bezeichnet ein Gerät, das durch optische Verstärkung ein kohärentes Licht erzeugt. Die einzelnen Schneidsysteme sind alle mit den gleichen Grundkomponenten ausgerüstet und in verschiedenen Ausführungen erhältlich: als Gaslaser, Faserlaser, Festkörperlaser, Farbstofflaser, Diodenlaser oder auch Excimerlaser.

Wie sind Laserschneidanlagen aufgebaut?

Moderne Laserschneidanlagen sind extrem leistungsfähig, mit ihnen können fast alle Blechformate, Materialstärken, Rohre und Profile aus den unterschiedlichsten Werkstoffen bearbeitet werden. Die wichtigsten Anlagenkomponenten sind: Laserquelle, Laserstrahlführung und Fokussieroptik mit Schneiddüse. Die meisten Lasersysteme sind modular aufgebaut und können jederzeit mit Zusatzmodulen – wie z. B. eine automatisierte Teileentsorgung – schnell und einfach aufgerüstet werden. Bei Faserlaser oder Scheibenlaser werden die Laserstrahlen über ein Lichtleitkabel, bei CO2-Laser über ein Spiegelsystem punktgenau an die Ausgangsstelle geführt und dann mittels Fokussieroptik zu einem leistungsstarken Laserstrahl gebündelt. Auch gibt es kombinierte Laser-Stanz-Maschinen: In einem einzigen Arbeitsgang sind hier Stanzen und Lasern möglich, ohne Austausch von Werkzeugen.

 

Wie funktioniert die Lasertechnik?

Die wichtigsten Komponenten eines Lasers sind: Laserstrahlquelle, Laserstrahlführung und Bearbeitungskopf (Fokussieroptik) inkl. Schneiddüse. Der Laserstrahl kann im Nahinfrarotbereich (Faserlaser oder Scheibenlaser) über Lichtleitkabel oder dann über Umlenkspiegel (CO2-Laser) zur Bearbeitungsstelle geführt werden.

 

Alle Lasertechnik-Systeme sind mit einer Pumpquelle, einem Lasermedium und einem Resonator ausgerüstet und funktionieren nach demselben Prinzip. Eine externe Energie wird dem Lasermedium via die Pumpquelle zugeführt und in Strahlung umgewandelt. Dabei sind Wellenlänge von Laserstrahl und Leistungsdichte des Lasers vom Resonator, der sich im Innern des Lasers befindet, abhängig. Dieser verstärkt die erzeugte Strahlung und gibt sie über einen halbdurchlässigen Spiegel als gebündelten Laserstrahl ab. Der Laser ist ein vielseitiges High-Tech-Werkzeug und eignet sich zum Schneiden, Schweissen, Bohren oder Beschriften. Vor allem beim Laserschneiden kommen die Vorteile dieser innovativen Technologie zum Vorschein.

 

Als Schneidwerkzeug dient ein gebündelter Laserstrahl, der mittels Gas (Gaslaser) oder Kristall (Festkörperlaser) erzeugt wird. Dieser intensive Laserstrahl wird wie ein Brennglas durch ein Linsensystem verstärkt und auf einer winzigen Fläche des Werkstücks punktgenau gebündelt, es entsteht eine hohe Energiedichte. Dort schmilzt oder verdampft der Werkstoff: Der Schneidprozess entlang der Teilekontur beginnt. Das abgetragene Material wird von einem Gasstrahl, der zusammen mit dem Laserstrahl aus der Düse tritt, aus der Schnittfuge geblasen.

 

Vorteile und Anwendungen der Laserschneidtechnik?

Der Laser ist ein sehr vielseitiges Werkzeug, es können unterschiedliche Materialien von verschiedener Dicke geschnitten werden. Beim Laserschneiden sind der Schneidespalt sehr schmal und die Qualität des Schneidens enorm hoch. Je nach Anlage sind sämtliche Materialien schneidbar, auch kann je nach Werkstoff und Verfahren eine saubere, schmale und oft auch nachbearbeitungsfreie Schnittkante erzielt werden. Das Laserschneiden bietet eine hohe Materialausnutzung und ist daher sehr wirtschaftlich. Oft ist auch das Gravieren bzw. Kennzeichnen und Schneiden von Produkten mit der gleichen Strahlquelle und innerhalb desselben Arbeitsgangs möglich.

 

Welche Werkstoffe lassen sich lasern?

Laserschneiden ist ein berührungsloses Trennverfahren für metallische und nichtmetallische Materialien: Metall, Kunststoffe, Glas, Keramik, Holz oder Papier. Der Laser ist sehr vielseitig einsetzbar und schneidet plattenförmige oder dreidimensionale Werkstoffe ohne Krafteinwirkung und toleranzgenau, ganz ohne mechanische Nachbearbeitung.

 

Welche Schnittbreiten sind beim sind beim Laserschneiden möglich?

Schmale Schnittbreiten von 1,0 mm und Genauigkeiten von +/- 0.1 mm/m können mit Laserschneiden problemlos erreicht werden. In der Mikrobearbeitung kommen Festkörperlaser zum Einsatz, die sogar Feinschnitte mit Breiten bis zu 20 µm ermöglichen. Dabei sind Werkstoff, Teilegeometrie sowie das eingesetzte Verfahren wichtige Faktoren für die erzielbaren Toleranzen.

 

Was ist ein Laser-Cut?

Mit Laser-Cut bezeichnet man das Trennen von Werkstoffen durch Materialerhitzung mittels eines gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahls. Die gesamte Laserleistung wird auf einen Punkt fokussiert und das Material aufgrund der hohen Wärmeentwicklung präzise zum Schmelzen/Verdampfen gebracht.

Laserschneiden mit Faser-, anderem Festkörper- oder CO2-Laser?

Jedes der Lasersysteme hat seine eigenen Stärken und verschiedene Anwendungsvorteile. CO2 ist eine eher ältere Technologie, während Faserlaser mit fortschreitender technischer Entwicklung an Einfluss zulegen. Die Vorteile von Faserlaser sind insbesondere: Geschwindigkeit, reduzierte Betriebskosten, wenig bis keine Wartungskosten, hohe Standzeit sowie ein drei bis vier Mal grösserer Durchsatz. Die Wellenlänge macht den Unterschied aus, welche Art von Material von welchem Laser bearbeitet werden kann.

Als Festkörperlaser bezeichnet man Laser, deren aktives Medium aus einem Glas- oder Kristall-Festkörper (Wirtsmaterial) besteht. Festkörperlaser haben eine Laserstrahlung mit hoher Ausgangsleistung, kombiniert mit der optimalen Pulsfrequenz und Pulsdauer. Sie erzeugen einen Laserstrahl mit sehr kleinen Fokusdurchmesser, wodurch sie die ideale Wahl für dauerhafte Markierungen in Form von Seriennummern, Barcodes und Datenmatrix-Codes auf Metallen darstellen. Mit einem Festkörperlaser lassen sich auch ultrakurze Femtosekunden-Pulse erzeugen.

Sind die zu schneidenden Materialien eher dick, sind CO2-Laser vorzuziehen. CO2-Laser liefern schnellere, initiale Einstechzeiten, schnelleres Längsschneiden und eine glattere Oberflächenqualität beim Schneiden von Materialien über 5 mm. Für Anwendungsbereiche, in denen das Laserschneiden von Metallen oder die Materialbearbeitung von Edelstahl notwendig ist, bedarf es eines leistungsfähigen Faserlasers. Bei anderen Materialien wie z. B. Kunststoff und Gummi kommen beide Lasertypen zur Materialbearbeitung in Frage.

In der Industrie sind Faserlaser derzeit eine Ergänzung zum CO2-Laser. Durch ihre speziellen Eigenschaften sind diese Festkörperlaser für den Dünnblechbereich prädestiniert. Sie ermöglichen hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und filigranes Schneiden durch geringe Fokusdurchmesser. Mit zunehmender Leistung der Laser erhöhen sich auch die schneidbare Blechdicke und die Schneidgeschwindigkeit. In der Mikrosystemtechnik und in der Medizintechnik ermöglicht ihr Einsatz innovativste Anwendungen.